关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现.pdf

数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现.pdf

数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现.pdf

上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现姓名:刘军申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:金荣洪上海交通大学硕士学符等。

上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现姓名:刘军申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:金荣洪上海交通大学硕士学位论文摘要I数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现摘要随着全球通信业务的迅速发展作为个人通信主要手段的无线移动通信技术正引起人们极大关注未来无线通信系统将对速度覆盖范围和不同系统间的兼容等性能要求越来越高,定向性和抗干扰能力成为天线的主要性能指标研究如何进行干扰抑制和减少多径衰落的影响已成为提高无线移动通信系统性能的一个重要课题随着移动通信卫星通信雷达等领域系统功能的日趋复杂化智能天线系统多波束天线系统等具有自适应功能的天线的研究和应用不断深入其中数字波束形成DBF技术是自适应天线系统的核心该技术是基于传统天线波束形成理论跟数字信号处理技术的在自适应天线系统中有着广阔的应用前景DBF研究工作主要有两部分自适应算法和硬件实现本文首先对传统天线存在的问题和局限性进行了介绍阐述了自适应天线的出现和发展过程自适应天线和DBF的基本原理在文献调研的基础上对自适应算法进行了综述分类总结和分析对较著名的一些自适应波束形成方法进行概要的介绍和比较后就最常用的LMS和RLS自适应算法做了改进误差归一化的变步长LMS算法和稳健子阵异步RLS算法两种改进算法在MATLAB平台上进行了仿真得到了合理的结果误差归一化的变步长LMS算法运算量较少稳态误差小稳健子上海交通大学硕士学位论文摘要II阵异步RLS算法有运算量小抗干扰能力强的优点数字集成电路和微电子技术的迅速发展给DBF的高速实时实现提供了条件现场可编程门阵列FieldProgrammableGateArray,FPGA有规整的内部逻辑块阵列和丰富的连线资源特别合适于细颗粒和高并行度结构特点的运算模块而且延时累加的特点能有效地支持流水线方式设计针对FPGA的硬件特点本文结合现有的硬件平台选择提出适合于FPGA实现的自适应误差归一化的变步长LMS算法,并在实现过程中采用延时并行技术然后在Xilinx公司的FPGA开发软件XilinxISE平台上用VHDL语言描述解决了在本DBF系统中用VHDL语言描述正负数的运算问题和浮点运算问题以及在加乘运算中字长统一性的问题完成了DBF的硬件设计和逻辑综合并用Modelsim进行了功能仿真和布局仿真在Xilinx的FPGA芯片SpartanIIXCS的实现了本文提出的误差归一化的变步长LMS算法并得到了正确的结果最后给出了在FPGA开发板上实现的单元天线的DBF系统处理速度达到Mhz最后本文对前面的研究做了简要总结并展望了遗传算法在自适应天线系统方面的研究以及FPGA器件在G中的进一步应用关键词数字波束形成LMSRLSVHDLFPGA上海交通大学硕士学位论文摘要IIIABSTRACTWiththehighdevelopmentofglobalcommunicationservices,wirelesscommunicationtechniqueiscomingtopeople’sgreatattentionFuturewirelesssystemsgenerallymayberequiredtohavehighdatarateswithextensivecoverageforawidevarietyofusersoperatingwithdifferentsystemsThepattern’sdirectionalityandantijammingabilityisbecomingkeyperformancesofcommunicationsystemsInordertoimplementsuchsystems,newtechnologiessuchasinterferencesuppressionandmultipathmitigationshouldbeintroducedWhilemobilecommunication,satellitecommunicationandradararebecomingmoreandmorecomplex,theresearchandutilityofsmartantenna,multibeamantennaanddigitalbeamformingtechniquebecomingpopularAdaptivedigitalbeamformingisthecombinationofantennabeamformingtheoryandsignalprocessingtechnologyWhichiswidelyused,inDBFresearchfiled,therearetwohotpoints:AdaptivealgorithmsandhardwareimplementFirst,Theproblemandthedisadvantageofthetraditionalantennaareintroduction,thentheappearanceandprocessingofthesmartantennaaredescriptionIncludingthetheoryofsmartantennaandDBFThen,thetheoryofadaptiveantennaandsomefamouspatternsynthesisandbeamforming上海交通大学硕士学位论文摘要IValgorithmsareillustratedTwomendedadaptivealgorithmsarepurposed:ENVSSLMSandMSARLSThesetwoalgorithmssimulateonMATLAB,andgotreasonableresult:theENVSSLMShasfewcount,theerrorislittlewhilesystemarestabletheMSARLShasfewaccountandstrongantiaffectWithdigitalintegrationcircuitandmicroelectronicsdevelopmentrapidly,ItispossibletorealizetheDBFwithhighspeedandrealtimeFPGAhasregularinternallogicalblockarrayandrichconnectlineresource,especiallyapplyforfineblockandhighparallelblockmodulenext,thepointofaccountdelaytimecansupportthelinedesignefficiencyBasedonthesecharacteristic,theadaptivealgorithmENVSSLMSispurposedNext,WedescriptwithVHDLbasedonXilinxISE,andfinishedDBFhardwaredesignandsynthesisDuringthedesign,weovercomesomeproblems:positiveandnegativenumberoperationandflexiblenumberandbytelengthAfterthisWerunfunctionsimulationandlayoutsimulationwithModelsimatlastweimplementtheENVSSLMSonthebodyofFPGA(SpartanIIXCS)andwefinishedtheDBFsystemwhichhaselementantennaontheFPGAdevelopmentboard,andthemainclockisuptoMhzAtlast,aconclusionoftheaboveresearchismade,Anewpopularsubject,geneticalgorithm,isintroducedforfuturestudyofDBFandsomeresearchaboutFPGAinGisintroducedKEYWORDS:Digitalbeamforming,LMS,RLS,VHDL,FPGA上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名刘军日期年月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名刘军指导教师签名金荣洪日期年月日日期年月日上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现第一章绪论研究的背景及意义当今世界各国已经广泛将无线通信系统作为重要的通信手段之一移动通信用户数目迅速增加移动通信业务量的迅猛增长和有限的频谱资源的矛盾日益突出年全球移动通信用户将达到亿有限的频率资源显的越来越紧张虽然通过将通信区域分为小区频率复用等手段能使系统通信容量得到较大的提高但是用户数的继续增加以及用户对通信服务要求的提高要求移动通信系统能提供更高的数据传输速率和能够提供图像以及语音等多媒体服务它们之间的矛盾将会显的更加突出影响通信容量增加的一个非常重要的因素是用户之间互相干扰和同一用户的码元之间互相干扰这类干扰不仅影响了系统容量的进一步提高同时也影响了用户数据的传输速度传统的提高通信容量主要有两种方法在已有小区的基础上进行小区分裂和在基站端使用扇区天线取代全向天线小区分裂的方法并不能减小系统的干扰它主要是通过将一个小区分为更小的微小区使得频率能够在一定的区域内得到更多的复用次数但由于小区数目变多需要的基站数目变大使得通信系统的成本增大同时由于小区覆盖的区域变小使得移动用户快速移动时小区切换太频繁系统的复杂性增大在基站端使用扇区天线取代全向天线使得每个天线只对一定的区域接收发射信号减少了相同复用频率之间的同道干扰从而可以减少频率复用距离提高系统容量但是缺点也比较明显对TDMA系统来说每个扇区分配的频率数降低系统的效率有所减低对CDMA系统来说越区切换有所增加智能天线利用各用户信号空间特征的差异采用阵列天线技术根据某个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量达到最佳接收和发射使得在同一信道上接收和发送多个用户的信号而不互相干扰采用智能天线技术能够有效地抑制与期望接收信号方向不同的多径干扰同信道干扰多址干扰以及其他各种类型的有意或无意干扰提高信号的传输质量提高频谱的有效利用率增大系统容量采用智能天线技术减小通信系统中的干扰从而提高系统容量和通信质量已成为当前第三代移动通信研究中的一个热点上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现智能天线是近年来移动通信领域中的一个研究热点它能有效地提高频谱的利用率是解决频率资源匮乏的一种有效途径同时还可以提高系统容量和通信质量它最初广泛应用于雷达声纳等军用领域由于价格等因素一直未能普及到其他通信领域经过多年的发展技术越来越成熟近年来由于多方面的原因将它应用到民用移动通信中的研究越来越受到关注我国提出的第三代移动通信系统标准TDSCDMA把智能天线列为一项关键技术智能天线在未来的无线通信系统中将有广阔的应用前景智能天线根据信号的空间特性差异区分信号它在传统的时分多址TDMA频分多址FDMA和码分多址CDMA之外引入了第四种多址方式空分多址SDMA在相同的时隙频率或相同的地址码的情况下用户仍可以根据信号的不同空间传播路径而区分智能天线分为两大类一类是固定多波束天线还有一类是自适应天线固定多波束天线采用多个波束覆盖整个用户区每个波束的指向固定波束宽度由天线阵元数目决定系统根据用户在小区中的位置选取相应的波束使接收的信号最佳自适应天线是一种控制反馈系统它根据一定的准则采用数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量通过对接收到的信号进行加权合并在有用信号方向上形成主波束而在干扰方向上形成零陷从而提高信号的输出信噪比自适应天线能够根据信号环境自动形成最佳阵列波束的天线通过在天线中引入自适应信号处理实现噪声抵消在干扰入射方向上产生零陷以及主波束跟踪有用信号从而使天线阵具有智能接收的能力其实现的基本方法是在常规天线阵的各个阵元上加上控制权重并通过特定准则下的自适应算法调整权重从而实现对有用信号的定位分离接收和自动跟踪利用数字技术在基带形成天线波束以此代替模拟电路提高了天线系统的可靠性与灵活性自适应天线技术在移动通信中会得到越来越广泛的应用世界各国都非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用各移动通信公司科研机构大学等都开展了大量的理论分析研究欧洲通信委员会CEC的RACEResearchintoAdvancedMobileInfrastructure计划由德国英国丹麦和西班牙合作完成项目组在DECT基站上构成智能天线试验模型于年开始现场试验天线由八阵元组成射频工作频率在Ghz阵元间距可调阵元分布分别有直线型圆环型和平面型三种形式模型用数字波束形成DBF的方式实现智能天线采用了ERA公司的专用ASIC芯片DBF完成波束形成使用TI公司的上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现TMSC作为中央控制芯片研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理方式组件处理方式天线是收发全向类型采用TDD双工方式系统评估了识别信号到达方向的MUSIC算法采用的自适应算法有NLMSNormalizedLeastMeanSquares算法和RLSRecursiveLeastSquare算法试验系统验证了智能天线的功能在两个用户四个空间信道包括上行和下行链路下试验系统比特差错率BER优于试验评测了采用MUSIC算法判别用户信号方向的能力同时通过现场测试表明圆环和平面天线适于室内通信环境使用市内环境则采用简单的直线阵更合适欧洲通信委员会CEC准备在ACTSAdvancedCommunicationTechnologiesandServiced计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究具体问题集中于以下方面最优波束形成算法系统协议研究与系统性能评估多用户检测与自适应天线结构时空信道特性估计以及现场试验日本ATR光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的智能天线天线阵元布局为间距半波长的阵元平面方阵射频工作频率是Ghz阵元组件接收信号在模数变换后进行快速傅立叶变换FFT处理形成正交波束后分别采用恒模CMA算法或最大比值合并分集算法天线数字信号处理部分由片FPGA完成外场移动试验确认了采用恒模CMA算法的多波束天线功能理论分析和试验证明使用最大比值合并算法MRC可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益上述两种方案在所形成波束内选用最大电平接收信号不用判别用户信号到达方向以及反馈控制结构等硬件跟踪转置ATR研究人员提出了一种基于智能天线的软件天线概念根据用户所处环境不同影响系统性能的主要因素如噪声同信道干扰或符号间干扰也不同可以利用软件方法来实现不同环境应用比如当噪声是主要因素时使用多波束最大比值合并MRC算法而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法CMA以此提供算法分集利用FPGA实现实时天线配置完成智能处理美国USWESTVectorGroup公司对波束波束的多波束智能天线系统与普通的分区分集天线系统进行了实地试验以及比对得到了关于多波束智能天线系统对于滞后电平切换时间和系统增益的关系的大量数据美国ArrayComm公司和中国邮电电信科学院信威公司研制出应用于无线本地环路WLL智能天线系统ArrayComm产品采用可变阵元配置有元和元环形自适应阵列可供不同环境选用在日本进行的现场试验表明在PHS基站采用该技术可以使系统容量提高四倍信威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列射频工作于MhMhz采用TDD双工方式收发间隔ms接收机灵敏度最大可提高dB上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现德州大学奥斯汀SDMA小组建立了一套智能天线试验环境着手理论与实际系统相结合加拿大McMaster大学研究开发了元阵列天线采用恒模CMA算法国内清华大学东南大学以及西安电子科技大学等高校跟大唐中兴华为等通信公司开展这方面的研究工作目前自适应天线技术研究工作主要集中在系统理论和工程实现其中系统理论的研究主要是指自适应波束形成算法工程实现的研究主要是数字波束形成的硬件实现就算法而言国内外已经做了大量工作有了很大发展但至今仍是国际上的热点研究内容之一关于自适应波束形成的新算法新理论不断涌现近年来随着微电子技术计算机技术的迅速发展已经具备了实现较强功能的自适应天线的技术条件和手段同时移动通信的快速发展和广泛应用又为自适应天线的发展提供了肥沃的土壤超大规模集成电路的高速发展更加扩展了自适应天线技术的应用越来越多的DSPFPGA等可编程器件被应用到DBF系统中去甚至ARM内核的RISC指令芯片也越来越多地应用到DBF系统中去硬件实现DBF系统逐渐成为工程的热点其中尤其是随着大规模可编程逻辑器件的发展FPGA嵌入式芯片处理能力不断提高片上资源更合理芯片价格已经可以为现代通信系统所接收这些为自适应技术的硬件实现提供了良好的条件特别是TopDown的设计思想更为实现自适应技术起了很大的促进作用在这当中VHDL语言是很好的工具如何使用合适的算法在工程中实现DBF系统引起了众多学者的广泛关注用FPGA的硬件实现整个DBF系统不仅能实现DBF系统而且能复用IP核大大提高设计的可靠性和可移植性是DBF的发展方向和前沿研究课题本课题不但有理论研究价值而且有很高的应用价值本课题得到教育部资助优秀青年教师基金的支持自适应天线系统与数字波束形成DBF技术自适应天线系统的出现及发展一切无线电通信广播雷达导航等系统都是利用无线电波来进行工作的而无线电波的发射与接收则是依靠天线来完成年赫兹设计出第一副天线一个多世纪以来特别是二次世界大战后天线理论设计和应用得到了迅猛的发上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现展但是人们在对无线电技术的研究探索和应用中仍在不断地对天线提出新的要求传统天线研究的着眼点是其形状和尺寸的寻优,虽然其研究进展仍具有重要的意义,但它存在以下几个方面的局限性在综合设计上只有规则形状尺寸布阵才会有效的数学变换工具可以利用对于一般形状布阵存在着数学困难如果设计的天线形状尺寸精度要求高则在生产制造上出现加工困难如果天线在地面上架设经常遇到占地和地形限制的困难如果架设于运动的载体上常常会遇到载体结构和其它设备冲突等困难在自然环境和运动中常常发生温度和气动引起的变形而将导致天线性能的严重退化如果天线局部损坏则将引起天线性能的严重退化所以抗损性差由于电离层变化大气变化以及地形地物环境的变化多径效应将引起快慢衰落现象传统天线对衰落防护能力差根据确定要求设计的天线不能适应载体姿态地形环境信号环境电离层任务要求等的慢变化快变化随机变化而实现优化其性能传统天线注意力集中于主波束对旁瓣电平也有一些考虑但对零陷还很少注意天线优化上还未与信息处理自动控制计算机等技术结合因而大大限制了它的发展传统的天线阵列是非自适应的将固定的权值加到天线单元上以形成天线阵方向图这些权值是在天线配置之前离线合成的根据不同的用途来考虑不同的天线设置上述存在的问题和日益严峻的电子对抗和反对抗形势迫使人们探讨天线发展的新道路自适应天线阵列系统因此应运而生但是在实际的天线使用环境中情况是复杂的权值很难离线确定方向性要求往往不能事先给定因为它取决于载体姿态地形环境信号环境电离层与大气环境任务要求等因素而这些因素往往是随机变化的自适应天线是一种具有自适应调整自身参数以适应周围环境能力的天线通常它由阵列组成故又常被称为自适应阵列天线自适应天线阵能适应上述因素变化实时自动地实现权集寻优这就首先要求自适应天线能侦测上述因素上述因素中决定性因素是信号环境因为天线功能应是对感兴趣的信号或方向实现优化传感或变化因此自适应天线阵便着眼于信号环境的上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现分析与权集实时适应优化上就接收天线而言目的是选择有用信号抑制干扰信号虽然实现上述两点是靠天线的方向特性但是直接从信干噪比的处理增益来分析将带来更大的好处它避开了方向性分析与综合的数学困难同时建立了信号环境与处理结果的直接联系有利于适应信号环境优化处理结果自适应天线的重要特征便是应用信号处理的理论和方法自动控制的技术解决天线权集优化的问题自适应天线起源于自适应技术的产生和发展年VanAtta首先提出自适应天线这个术语此后在解决自适应干扰调零问题PWHowells及BWidrow分别做出了出色的成绩PWHowells研制成中频旁瓣消除器其后SPApplebaum进行了理论分析提出了广义信噪比最大算法BWidrow研究了自适应滤波器并提出了最小方差算法之后又有不少学者相继对这些方法做了改进和完善自适应天线发展至今大致可以分为三个阶段第一阶段主要集中在自适应波束控制上诸如返向波束天线自适应相控天线自适应聚束天线自适应波束操纵天线等IEEETransAP年月特刊总结了这一阶段的成果第二阶段主要集中在自适应零点控制上诸如自适应滤波自适应调零自适应旁瓣对消自适应杂波抑制等IEEETransAP年月特刊总结了这一阶段的成果第三个阶段主要在空间谱估计上诸如最大似然谱估计最大熵谱估计特征空间正交谱估计等IEEETransAP年月特刊总结了这一阶段的成果在大规模集成和超大规模集成技术发展的促进下年以后自适应天线阵进入广泛应用阶段自适应天线阵的基本原理决定其有如下几个特性LMS阵和阿普尔鲍姆阵在各自最佳准则下根据外部信号环境自动调整天线阵中各阵元的加权使干扰功率输出最小即天线阵在干扰方向形成很深的零点使有用信号输出最大自适应天线抑制干扰的程度与干扰功率成正比即在天线阵方向图中零点深度取决于干扰功率对Ì个阵元的自适应天线有Ì个自由度即可同时跟踪的信号数和抑制干扰数之和为Ì在跟踪信号数和抑制干扰数小于阵元数时部分阵元的损坏对自适应天线系统性能没有明显的影响即自适应天线有着较强的抗损能力总之自适应天线的重要特征是利用信号处理的理论和方法自动控制技术解决天线加权优化问题上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现数字波束形成DBF以及最新发展数字波束形成技术是传统天线波束形成跟数字处理技术相结合的产物天线阵列系统通过天线接收到信号经过高频功率放大器和低噪声放大器以及下变频器件以后再经过中频处理得到基带信号再通过对基带信号的AD转换得到数字基带信号同时在一定的准则下通过一定的算法得到对应数字基带信号的最佳权值数字基带信号和最佳权值对应相乘并累加便得到输出信号亦得到天线阵列方向图其中最佳权值算法是DBF系统的核心根据自适应天线的工作方式和波束形成算法的方式表给出了多种自适应算法的分类表自适应算法的分类在第二章中将介绍几种较经典的波束成形算法在自适应波束成形中没有干扰的旁瓣方向通常是不受控制的结果这些旁瓣电平可能变得比期望的要高在接收天线阵中天线工作时在高旁瓣区突然出现一个干扰信号系统会对此做出反应计算出新的自适应权值向量以使干扰的影响最小化这需要一定的时间一个强干扰信号可能会在天线重置过程中断天线的正常工作因为计算干扰消除的过程要用一些时间如何增加算法的抗干扰能力和减少运算量提高运时间参考法空间参考法参考信号算法盲算法MUSICESPRIT最小方差最大似然LMSRLSDMI约束算法功率导致算法微扰法格形算法线型预测方法卡尔曼滤波算法GramSchmidt算法特征值分解算法最大似然算法恒模算法CMA最小二乘解扩重扩算法基于循环稳定特性的算法基于神经网络的算法上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现算速度一直吸引着众多的学者在改进算法在军事通信领域中DBF专用的器件有一定的市场如ERA公司的专用数字波束合成器件DBF但是此类芯片不但昂贵而且可移植性也差远远不合适民用移动通信的应用近年来FPGA和DSP等可编程器件的迅速发展为DBF的实现提供了可靠的前提在DBF系统中主要有最优波束求解和波束合成系统组成出现了多种实现方案其中最优波束求解涉及到大量的数值计算非常合适DSP实现而波束合成系统适用FPGA实现于是出现了FPGA结合DSP来实现DBF系统的方法该方法虽然能在一定程度上保证实时性但是由于DSP的IO能力的限制和FPGA和DSP之间数据高速传输瓶颈应用有相当的局限性近年来FPGA技术的的快速发展用单FPGA实现DBF系统是趋势用TopDown的设计思想VHDL语言结合原理图进行逻辑设计可以很方便地做出原型机有利于ASIC设计从而可以大规模的应用到民用的移动通信中去MATLAB跟VHDL语言MATLAB本选题旨在自适应天线系统中的数字波束形成器以及硬件实现方法为此一方面要对算法进行分析对比和验证确定适应于本课题的算法另一方面要对设计的方案综合验证它的正确性和可行性而完成这些工作的最佳和必要工具是MATLAB语言和VHDL语言下面简单予于介绍MATLAB是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境MATLAB是英文MATrixLABoratory矩阵实验室的缩写它集中了日常数学处理中的各种功能包括高效的数值计算矩阵运算信号处理和图形生成功能MATLAB是一个功能强大的系统它集数值计算矩阵运算信号处理和图形生成功能为一体另外MATLAB还具有很强的功能扩展能力可以配置各种各样的工具箱以完成一些特定的任务同时用户还可以根据自己的工作任务开发自己的工具箱在MATLAB环境下可以集成地进行程序设计数值计算图形绘制输入输出文件管理等各项操作MATLAB系统主要有以下五部分组成MATLAB语言体系这是高层次的矩阵数组语言兼有条件控制函数调上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现用数据结构输入输出面向对象等程序语言特性利用它既可以进行小规模编程完成算法设计和算法试验的基本任务也可以进行大规模编程开发复杂的应用程序MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户的管理功能的总称它包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法以及开发调试管理M文件的各种工具图形句柄系统这是MATLAB图形系统的基础包括完成D和D数据图示图形处理动画生成图形显示等功能的高层次MATLAB命令也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层次MATLAB命令以及开发图形用户界面GUI应用程序的各种工具MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法也包括矩阵运算矩阵分析等高层次数学算法MATLAB应用程序接口API这是MATLAB为用户提供的一个函数库使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN等程序包括从MATLAB中调用子程序动态连接读写MAT文件的功能VHDL语言VHDL语言是VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage语言年被提出年底VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言自IEEE公布了VHDL的标准版本IEEE之后各EDA公司推出了自己的VHDL设计环境或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口此后VHDL在电子设计领域被广泛的接收并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言年IEEE对VHDL进行了修订从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容公布了新版本的VHDL即IEEE标准的版本现在VHDL与Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言又得到众多EDA公司的支持在电子工程领域已成为事实上通用硬件描述语言有专家认为在新的世纪中VHDL与Verilog语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务VHDL主要用于描述数字系统的结构行为功能的接口除了含有许多具有硬件特性的语句外VHDL的语言形式描述风格与句法十分类似一般的计算机高级语言VHDL的程序结构特点是将一项工程设计或称设计实体可以是一个元件一个电路模块或者一个系统分为外部或成为可视部分以及端口上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现和内部或称为不可视部分以及涉及实体的内部功能和算法完成部分在对一个设计实体定义了外部界面后一旦完成其内部开发其它的设计就可以直接调用这个实体这种将设计实体分为内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的与其它的硬件描述语言相比VHDL具有更强的行为描述能力从而决定了它成为系统设计领域最佳硬件描述语言强大的行为描述能力是避开具体的器件结构从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证VHDL丰富的仿真语句和库函数使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性随时可对设计进行仿真模拟VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能符合市场需求的大规模系统高效高速的完成必须有很多人甚至多个组共同并行工作才能完成对于用VHDL完成的一个确定的设计可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化并自动地把VHDL描述设计转化为门级网表VHDL对设计的描述具有相对独立性设计者可以不懂硬件的结构也不必管最终设计实现的目标器件是什么而进行独立的设计微电子技术与可编程器件的发展微电子技术的迅速发展使得集成芯片的特征尺寸将进一步缩小同时集成芯片将逐步走向系统集成芯片(SOC)器件的最小特征尺寸已经发展到nm左右SOC的集成度越来越大这么大的规模不能依靠某个设计师从头到尾包办因此大部分部件就要选用一些已有的可复用的IP(知识产权)模块就是要把别人的IP通过界面综合把它们有机地组合在一起最后完成SOC的设计其中可编程器件也随着微电子技术的发展而迅速发展而与ASIC价格方面的差距会缩小可编程器件经过几年的发展芯片规模密度性能有了惊人的变化以后的发展趋势为密度更高速度更快频带更宽的百万门的系统级方向发展嵌入式标准或通用功能方向发展低电压低功耗的绿色元件方向发展PAL和GAL等可编程器件由于工艺原因目前发展缓慢而CPLD跟FPGA得到上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现迅速的发展其中CPLD内部由于采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连设计的逻辑电路具有时间可预测性避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点CPLD的特点使其非常适用在复杂的逻辑组合电路的设计中FPGA采用SRAM工艺在设计单元电路逻辑需上电再配置年代以后出现了新的FPGA器件把门阵列的优点和现场可编程性结合在一起可以实时的对外加或内置的RAM编程实时的改变器件功能实现现场可编程或在线重配置是科学实验样机研制小批量产品生产的最佳选择器件尤其适合用来实现时序电路其中Altera和Xilinx公司更是FPGA的主要生产厂商公司在综合的EDA软件中提供了很多IP为设计提供了方便本文的主要研究内容本论文先提出改进的自适应LMS和RLS算法然后用VHDL语言描述了基于改进自适应LMS自适应算法的DBF系统虽然自适应LMS和RLS算法是比较成熟的算法但是他们的运算量较少容易硬件实现特别是改进以后运算量更小的特点非常合适硬件实现本文内容包括如下几个主要方面通过对自适应算法进行总结对比和验证确定了适应于FPGA硬件实现的DBF的自适应算法对改进LMS自适应算法进行了点M文件方式仿真并用阵元的天线系统进行了综合仿真通过该模型的计算机仿真从理论上证明了该方案的正确性用VHDL语言对DBF系统进行了硬件描述并且在Xilinx公司的专用开发软件ISE平台上进行了功能仿真和布局仿真仿真结果证明了该方案的正确性和可行性在现有Xilinx公司SpartanII芯片开发板的基础上对DBF进行了硬件实现结果表明了硬件设计的正确性本文的结构介绍本文共分为五章各章的主要内容如下第一章是绪论简单介绍了自适应天线系统与数字波束形成技术对当前自适应天线系统的研究进行了概要的介绍并且对自适应算法进行了分类同时根据硬件实现的需要简单介绍了用来模拟系统功能的MATLAB软件和用来硬件上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现描述的VHDL语言并对硬件方法实现DBF系统进行了简单的比较第二章是自适应天线系统与数字波束形成的详细介绍先简要回顾自适应天线技术基本原理和系统结构对目前的自适应波束形成算法做了概述和比较特别对基于参考信号的波束成形TRB算法进行了详细的性能分析为改进LMS和改进RLS算法提供了必要的理论基础第三章是改进的LMS和RLS算法并且在MATLAB平台上编写了DBF的点M文件进行了模拟仿真同时对阵元的自适应天线系统进行了分析得出了合理正确的结果它为DBF的硬件设计的正确性和可靠性提供了依据第四章是改进算法的FPGA硬件实现首先在Xilinx公司的ISE开发平台上对DBF系统用VHDL语言进行了描述用ModelSim进行仿真然后用ISE进行了综合有效解决了DBF系统中用VHDL语言描述正负数问题和浮点数运算以及位长问题最后在现有的Xilinx公司的SpartanII芯片开发板上完成了DBF系统的硬件设计第五章是总结与展望首先对全文进行了总结对目前的FPGA实现DBF系统做出了总结并且就遗传算法的发展和FPGA系统的进一步应用做了一定的展望上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现第二章自适应天线系统与波束形成技术自适应天线的基本原理和系统结构自适应天线在天线阵列的基础上为移动通信系统设计提供空间信号处理的自由度从而可以使系统性能得到显著提高它利用阵列天线波束的方向性通过自适应波束控制使波束对准目标方向自动跟踪用户目标的移动使零陷对准干扰方向并可自适应电波环境的变化优化天线阵列方向图从而增强有效信号抑制同信道干扰和多址干扰达到显著提高信干噪比增强通信系统容量的目的在本节首先对移动信道进行了特征分析介绍了移动信道会对接收信号产生怎样的影响然后根据实际情况建立了分析模型为下一节信号模型的建立提供了必要的准备移动信道特征分析移动无线信道的环境是非常恶劣的信号在传输的过程中会遇到各种建筑物树木车辆以及起伏的地形引起能量的吸收和穿透以及电波的反射散射和绕射等在移动通信系统中移动台发射的信号达到基站接收端时的信号是多个通过频移时延相移和幅度衰落等变化的信号的叠加下面我们具体分析一下移动信道会对接收信号产生怎样的影响)多普勒频移当移动台在运动中通信时接收信号频率会发生变化这种现象称为多普勒效应这是任何波动过程都具有的特征多普勒效应所引起的附加频移成为多普勒频移DopplerShift可以用下式表示cosDfual=这里a是入射波与移动台运动方向的夹角u是运动速度l是波长上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现)多径衰落陆地移动信道的主要特征是多径传播由移动台发射的信号并不是通过单一的一条路径到达基站的而是许多路径来的众多发射波的合成由于电波通过各个路径的距离不同因而各条路径来的反射波到达时间不同相位也不同不同相位的多个信号在接收端叠加时而同相叠加而增强时而反相叠加而减弱这样接收信号的幅度将急剧变化即产生了衰落这种衰落是由于多径现象而引起的称为多径衰落也叫快衰落多径衰落的影响可以从空域时域和频域三个方面来描述与测量首先从空域看沿移动台运动方向接收信号的幅度随距离变化呈现衰减其包络呈现较快的幅度变化大量的实测数据及数学分析的结果表明由多径引起的接收信号包络变化服从瑞利分布其相位变化服从度的均匀分布其次从时域看由于各个路径的长度不同因而信号到达时间就不同这样若从基站发射一个脉冲信号则移动台所接收的信号中不但包含该脉冲还包含他的各个延迟信号的脉冲这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象成为时延扩展TimeDelaySpread时延扩展可以直观的理解为在一串接收脉冲中最大传输时延与最小传输时延的差值通常用D来表示在数字传输中由于时延扩展接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码元周期中时延扩展将引起码间干扰IntersymbolInterference严重影响数字信号的传输质量为了避免码间干扰应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展D或者等效地说码元速率bR小于时延扩展的倒数即bR<D最后从频域来考察有一个和时域扩展相关的重要概念即相关带宽相关带宽表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔实际上相关带宽是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量当信号通过移动信道时会引起多径衰落信号中不同的频率分量的衰落是否相同这个问题的答案对于不同的信道和不同的信号是不一样的根据衰落和频率的关系可将衰落分为两种频率选择性衰落和非频率选择性衰落后者又称平坦衰落所谓频率选择性衰落是指信号种各分量的衰落状况和频率有关即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应由于信号中不同频率分量衰减不一致所以衰落信号波形将产生失真所谓非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关即信号经传输后各频率分量所能遭受的衰落具有一致性因而衰落信号的波形不失真上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现对于移动信道来说存在一个相关带宽当信号的带宽小于相关带宽时发生非频率选择性衰落当信号带宽大于相关带宽时发生频率选择性衰落频率选择性衰落信道在一定范围内满足以下两点假设在若干码元期间衰落的统计特性可认为对于时间t是近似平稳的环境对电波的散射是连续且不相关的也就是电波到达角度与传播时延是统计独立的变量)慢衰落慢衰落是接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形建筑物等的变化而出现的波动其变化速率较为缓慢阴影衰落就是一种慢衰落当移动台在运动中通过不同障碍物状况频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物而频率较低的信号比频率较高的信号具有较强的绕射能力对实际数据的统计分析表明慢衰落信号的局部均值近似服从对数正态分布如前所述陆地移动信道的主要特性是由于多径传播所引起的快衰落与时延扩展和由于移动台而引起的多普勒频移它是一种频率选择性衰落为了能比较准确的描述这种信道研究分析这种无线信道的特性采用矢量信道冲击响应VectorchannelImpulseResponse这一工具来建立分析模型如果信道是频率选择性衰落信道即多径时延接近或超过了一个码元地时间宽度则必须使用最基本的矢量信道冲击响应模型信号模型为了更清晰的自适应天线的原理和系统结构本节首先介绍用于阵列信号处理的信号模型和相应的专业术语设在空间有N个阵元传感器组成阵列置于M个远场点源组成的场中信号源频率为f互不相关将阵元从到N编号并以阵元也可选择其它阵元作为基准或参考点上海交通大学硕士学位论文数字波束形成自适应算法的研究以及硬件实现图空间阵列接收信号示意图FigSpacearrayrece

用户评论(0)

0/200

精彩专题

上传我的资料

每篇奖励 +2积分

资料评价:

/19
仅支持在线阅读

意见
反馈

立即扫码关注

爱问共享资料微信公众号

返回
顶部